第四章材料的光学性能(共34张)课件.pptx
第四章材料的光学性能,第四章材料的光学性能,4.1 光和固体的相互作用,1.光的波粒二象性 1）光电效应方程 2）光学涉及材料对电磁辐射作用的响应。射线 原子核结构改变；红外辐射，微波，无线电波-原子振动或晶格结构的改变；X射线，紫外线，可见光谱-原子结构改变,4.1 光和固体的相互作用1.光的波粒二象性,第四章材料的光学性能(共34张)课件,4.1 光和固体的相互作用,3）光的速度 真空中：在介质中传播：,C：3 10-8m/s,:真空介电常数,:真空磁 导率,透射，反射，折射：光的粒子性介质中传播、衍射：光的波动性,4.1 光和固体的相互作用 3）光的速度C：,4.1 光和固体的相互作用,2.光通过固体的现象 1）宏观：光从一种介质进入另一种介质中，一部分透过介质，一部分被吸收，一部分在两种介质的界面上反射，一部分被散射。,光入射到材料表面的光辐射能量流率，单位：W/m2 或 J/m2s 表示单位时间内通过单位面积的能量,透射系数,吸收系数,反射系数,散射系数,4.1 光和固体的相互作用2.光通过固体的现象光入射到材料,4.1 光和固体的相互作用,4.1 光和固体的相互作用,4.1 光和固体的相互作用,2）微观：光与固体中的原子、离子、电子之间的相互作用。a)电子极化：光中电场分量与传播过程中的每一个原子都发生作用，引起电子极化。折射的本质：一部分能量被吸收，同时光波速度减小，导致折射。b)电子能态的改变：光子被吸收和发射，都可能涉及到固体材料中电子能态的转变。,4.1 光和固体的相互作用 2）微观：光与固体中的原,4.1 光和固体的相互作用,3.材料的折射率及其影响因素,概念 折射：光遇到一种折射率不同的介质，传播速度与波长发生变化，而且光的传播方向也发生变化。折射率：光在真空和介质中的速度之比相对折射率:,n1,原因：光与原子作用导致电子极 化，使光速变慢。,4.1 光和固体的相互作用3.材料的折射率及其影响因素概念,4.1 光和固体的相互作用,一些透明材料的折射率,4.1 光和固体的相互作用 一些透明材料的折射率,4.1 光和固体的相互作用,2）材料折射率的影响因素 a)材料元素的离子半径：,由于在无机材料这样的电介质中，=1，l,材料的折射率随介电常数增大而增大离子半径增大时，其增大，因而n也随之增大,4.1 光和固体的相互作用2）材料折射率的影响因素 由于在,4.1 光和固体的相互作用,2）材料折射率的影响因素 b)材料的结构、晶型：非晶态和立方晶体结构：一个折射率（均质介质）其它晶型：两个折射率-寻常光折射率n0和不寻常光折射率ne（非均质）当光沿晶体光轴方向入射时，只有n0存在，与光轴方向垂直入射时，ne达最大值，此值是为材料特性。石英的n0=1.543，n e=1.552；方解石的n0=1.658，ne=1.486；刚玉的n0=1.760，ne=1.768。沿着晶体密堆积程度较大的方向ne较大。C)材料的内应力：有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大，平行 于受拉主应力方向的n小。因此产生双折射。测定材料中内应力的大小，可采用测定双折射的光程差的大小。d)同质异构体：高温时n小，低温时n大。,4.1 光和固体的相互作用2）材料折射率的影响因素,4.1 光和固体的相互作用,例：一束在钠钙玻璃中传播的光线到达了玻璃-空气界面：试推导用于表达折射角与入射角之间的函数关系的表达式；这个关系式是否用于所有的入射角？,4.1 光和固体的相互作用例：一束在钠钙玻璃中传播的光线到达,4.1 光和固体的相互作用,3）色散 a)定义：材料的折射率随入射光的频率的减小(或波长的增加)而减小的性质，称为折射率的色散。在给定入射光波长的情况下，材料的色散为:色散=dn/d b)表示：色散系数d，也叫阿贝数，这是最常用的数值。nD：是指用钠光谱中的D线（D=589.3nm，黄色）为光源测出的折射率。nF：是指用氢光谱中的F线（F=486.1nm，蓝色）为光源测出的折射率。nC：是指用氢光谱中的C线（C=656.3nm，红色）为光源测出的折射率。,4.1 光和固体的相互作用3）色散,4.1 光和固体的相互作用,3）色散 c)原理：频率不同导致介质极化强度不同；极化强度不同导致折射率不同。d)应用：用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透镜和凹透镜组成复合镜头，可以消除色差，这叫做消色差镜头。注：折射率的大小与入射光波长有关。材料的折射率n 随入射光波长的降低而减小，所以，谈材料的折射率时必须指出所用的光的波长。一般常用nD来比较不同材料的折射率。,4.1 光和固体的相互作用3）色散,X射线，紫外线，可见光谱-原子结构改变真空中：其它晶型：两个折射率-寻常光折射率n0和不寻常光折射率ne（非均质）射线 原子核结构改变；1）荧光和磷光：当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。1 光和固体的相互作用为了减小反射损失：a)通过介质表面镀增透膜；1 光和固体的相互作用对于第二种机制:吸收光子的能量把电子从填满的价带激发到导带的空能级上，导带中出一个电子，而在价带留下一个空穴。n1,原因：光与原子作用导致电子极 化，使光速变慢。材料的透射系数及其影响因素介质吸收光的一般规律：a)定义：材料的折射率随入射光的频率的减小(或波长的增加)而减小的性质，称为折射率的色散。在给定入射光波长的情况下，材料的色散为:,4.1 光和固体的相互作用,4.材料的反射系数及其影响因素,当光从二种不同介质通过时，要发生反射和折射。其中反射是电子吸收光子能量，由高能级又返回低能级时发射出的的电磁波。当一束自材料1垂直入射到材料2上的光线，产生反射光线的比例R为反射率：,如果两种材料折射率相差很大，则损失很大。为了减小反射损失：a)通过介质表面镀增透膜；b)将多次透过的玻璃用折射率与之相近的胶粘起来。,X射线，紫外线，可见光谱-原子结构改变4.1 光和固体的相互,第四章材料的光学性能(共34张)课件,4.1 光和固体的相互作用,5.材料的透射系数及其影响因素,材料对入射光的吸收及其散射，是影响材料光透射比的的主要因素。,4.1 光和固体的相互作用5.材料的透射系数及其影响因素,4.1 光和固体的相互作用,1）金属的光透过性质,金属对所有的低频电磁波（从无线电到紫外光）都是不透明的，只有对高频电磁波X射线和 射线才是透明的。（高频时，电子来不及做出响应）导体的价带特征是部分填满，电子易吸收入射光子的能量后激发到空能级上。金属材料吸收的光又从表面上以同样波长的光波反射出来。还有一小部分以热的形式损失了。,4.1 光和固体的相互作用1）金属的光透过性质 金属对,4.1 光和固体的相互作用,2）非金属材料的透过性,介质吸收光的一般规律：电子极化：只有光的频率与电子极化时间的倒数处于同一数量级 电子受激吸收光子而越过禁带 电子吸收光子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级,4.1 光和固体的相互作用2）非金属材料的透过性 介质吸收,对于第二种机制:吸收光子的能量把电子从填满的价带激发到导带的空能级上，导带中出一个电子，而在价带留下一个空穴。只有光子的能量满足下列条件才会被吸收：,或,可见光最短波长，电子受激后跃迁的非金属材料的禁带宽度最大为；若禁带宽度大于，则这种材料不可能吸收可见光，纯度很高的绝缘体材料是无色透明的。可见光的最大波长约0.7um,吸收光子后电子能越过的最小的禁带宽度Egmin=1.8eV.对于禁带宽度小于的半导体材料，可见光被吸收，是不透明的。对于禁带宽度处于的非金属材料，只有部分可见光补吸收，因而是带色透明的。,对于第二种机制:吸收光子的能量把电子从填满的价带激发到导带,每一种非金属材料对特定波长以下的的电磁波是不透明，其具体波长取决于禁带Eg对于第三种机制:对于禁带较宽的介电材料可能吸收光子，借助于禁带中引入的杂质或缺陷能级，使吸收光子的电子进入其中。,4.1 光和固体的相互作用,每一种非金属材料对特定波长以下的的电磁波是不透明，其具体,第四章材料的光学性能(共34张)课件,吸收系数：介质吸收的光谱能量不仅与介质的电子能带结构有关，还与光程有关。I=I0e-x为吸收系数，取决于材料性质与波长。,吸收系数：介质吸收的光谱能量不仅与介质的电子能带结构有关，还,4.1 光和固体的相互作用,2）非金属材料的透过性,b)介质对光的散射：散射：由于光传播的介质不同，介质中含有小粒子，晶界面相，气孔或杂质，由这些产生的次级波与主波方向不一致，并合成产生干涉现象，引起散射。（一部分能量偏离原来的方向向四面八方弥散开来）I=I0-Sx S:散射系数，或称为内反射现象。,散射：与波长有关，也与散射颗粒的大小，分布，数量以及散射相与基体的相对折射率大小有关。,4.1 光和固体的相互作用2）非金属材料的透过性 b),极化强度不同导致折射率不同。对于第二种机制:吸收光子的能量把电子从填满的价带激发到导带的空能级上，导带中出一个电子，而在价带留下一个空穴。同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。介质中传播、衍射：光的波动性利用高温将电子激发到较高能级上去的过程，一些电子回落到空穴位置，此过程放出光子，随温度升高，获得呈连续谱的发射光线。为了减小反射损失：a)通过介质表面镀增透膜；材料的折射率及其影响因素C：3 10-8m/s材料的折射率n 随入射光波长的降低而减小，所以，谈材料的折射率时必须指出所用的光的波长。,4.4 材料的发光,1.发光和热辐射 1）荧光和磷光：发光：由于受温度之外的其它因素导致的固体向外发射可见光的现象。如果外来能量使激发电子从价带进入导带，当电子返回时便发射光子，如果这种光子的波长处于可见光范围内，有上述现象。荧光：受激发在大约10-8s以内发射的电磁波。,其发光是被激发的电子跳回价带时，发射的光子,极化强度不同导致折射率不同。4.4 材料的发光1.发光和,第四章材料的光学性能(共34张)课件,4.4 材料的发光,磷光体：激发停止后的一段时间内能发光的复杂晶体无机物质 应 用:电视机屏幕使用的材料；LED（发光二极管）技术,4.4 材料的发光磷光体：激发停止后的一段时间内能发光的复杂,4.4 材料的发光,1.发光和热辐射 2）热辐射：利用高温将电子激发到较高能级上去的过程，一些电子回落到空穴位置，此过程放出光子，随温度升高，获得呈连续谱的发射光线。辐射的最短波长和强度信赖于温度。材料的颜色随温度而改变。,例：700度以下，材料呈淡红色 1500度以下，材料呈桔黄色 非常高的温度下，材料呈白热状态应用：陶瓷学家用一个光学温度计获得正加热的陶瓷件的温度。用高温计测量辐射光的频带范围，便可以估计材料的温度,4.4 材料的发光1.发光和热辐射 例：700度以,4.4 材料的发光,2.激光 激光：LASER-Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“受激辐射的光放大”特点：用来瞄准特定区域并产生很高密度的热能；实质是荧光材料的一个例子，一个被激发的原子簇的荧光发射光线激发其它的原子簇，使它们发射同相位的光线。定向发光 亮度极高 颜色极纯 能量密度极大,4.4 材料的发光2.激光,4.4 材料的发光,例：红宝石激光器 蓝宝石（Al2O3单晶)+0.05%Cr,4.4 材料的发光例：红宝石激光器,4.4 材料的发光,例：红宝石激光器,主要部分:激光工作物质（Al2O3单晶)和激活物质Cr3+提供亚稳态能级，从基态到激发态经亚稳能级构成三能级激光器。,E1,E2,E3,4.4 材料的发光例：红宝石激光器 主要部分:激光工作物质,4.5 其它的性能,1.光电导性：光子照到半导体的表面，能产生光诱导的导电性，光电导性。当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定时间的。同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。这些现象称为弛豫过程或惰性。,4.5 其它的性能1.光电导性：,4.5 其它的性能,1.光生伏特效应：光生伏特效应是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。太阳能电池的基本原理，最简单的太阳能电池是连接到外电路的一个pn结，吸收特殊波长的光子，产生额外的载流子，还在pn结两端形成一个电压。,4.5 其它的性能1.光生伏特效应：,硅晶体中,硅晶体中掺硼 P,硅晶体中掺磷 N,硅晶体中 硅晶体中掺硼 P 硅晶体中,
